一种永磁同步电驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种永磁同步电驱动系统，包括：永磁同步发电机、第一转换装置、第二转换装置、永磁同步电动机、第一检测器、第二检测器以及控制器；永磁同步发电机的输出连接第一转换装置的输入，第一转换装置的输出连接第二转换装置的输入，第二转换装置的输出连接永磁同步电动机的输入；第一和第二检测器分别连接控制器；第一检测器检测直流母线电压并发送给控制器，第二检测器检测负载的运行状况并发送给控制器，控制器根据上述两个信号向第一和第二转换装置发送控制信号，第一和第二转换装置根据上述两个控制信号进行转换，以调整永磁同步发电机的输出功率以及输出给永磁同步电动机的输出功率。本发明可实现单位功率因数控制。
【专利说明】
一种永磁同步电驱动系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电驱动系统。
【背景技术】
[0002]传统的电机驱动系统，存在局限性。首先，驱动系统功率密度低，导致电机体积、重量和功率器件的容量增高。对于功率较大的驱动系统，简单的采用更大规格的电机和变流器，使得系统的比功率、比能量降低。体积大，功率密度低是传统驱动系统的主要问题。
[0003]目前的电机驱动系统采用不控整流时，功率因数低，且不可控；电机制动时，容易产生很高的回馈能量和栗升电压，在传统驱动系统中依赖直流电容吸收能量造成系统不可靠。其次，现代电机驱动系统要求在较宽的转速和转矩工作区内，保持较高的能量效率，可实现再生制动时的高能量回收效率。传统驱动系统调速范围较窄，难以实现在低速区提供大转矩、高速区输出高功率的性能要求。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种永磁同步电驱动系统。
[0005]本发明提供一种永磁同步电驱动系统，包括:用于产生交流电的永磁同步发电机、用于将交流电转换成直流电的可控的第一转换装置、用于将直流电转换成交流电的可控的第二转换装置、用于为负载提供动力的永磁同步电动机、第一检测器、第二检测器以及控制器；
[0006]所述永磁同步发电机的输出端连接所述第一转换装置的输入端，所述第一转换装置的输出端连接所述第二转换装置的输入端，所述第二转换装置的输出端连接所述永磁同步电动机的输入端;所述第一检测器和所述第二检测器分别连接所述控制器;所述第一检测器检测所述第一转换装置和所述第二转换装置的连接线路上的直流母线电压，并将所述直流母线电压发送给控制器，所述第二检测器检测所述负载的运行状况，并将所述负载的运行状况发送给所述控制器，所述控制器根据所述直流母线电压向所述第一转换装置发送第一控制信号，并根据所述负载的运行状况向所述第二转换装置发送第二控制信号，所述第一转换装置根据所述第一控制信号进行转换，以调整所述永磁同步发电机的输出功率，所述第二转换装置根据所述第二控制信号进行转换，以调整输出给所述永磁同步电动机的输出功率。
[0007]优选的，所述永磁同步电驱动系统还包括:用于储存电能的超级电容储能电路以及切换电路；
[0008]所述超级电容储能电路连接所述切换电路，所述切换电路连接所述第一转换装置和所述第二转换装置，所述控制器连接所述切换电路；
[0009]所述控制器根据所述直流母线电压向所述切换电路发送第三控制信号;所述切换电路根据所述第三控制信号切换所述超级电容储能电路储能电能或释放电能。
[0010]优选的，所述切换电路包括:双向DC/DC变换器；
[0011]所述双向DC/DC变换器包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的两端分别连接在所述第一开关管的两个导通端形成第一侧电路，所述第二二极管的两端分别连接所述第二开关管的两个导通端形成第二侧电路，所述第一侧电路和所述第二侧电路串联后与所述第一转换装置和所述第二转换装置并联，且连接在所述第一转换装置的输出端和所述第二转换装置的输入端之间;所述超级电容储能电路和所述第二侧电路并联；
[0012]所述控制器连接所述第一开关管和所述第二开关管的控制端，用于根据所述直流母线电压向所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端发送第三控制信号，所述第一开关管的两个导通端根据所述第一开关管的控制端接收到的所述第三控制信号导通或断开，所述第二开关管的两个导通端根据所述第一开关管的控制端接收到的所述第三控制信号导通或断开。
[0013]优选的，所述第一开关管和所述第二开关管为三极管或场效应管。
[0014]优选的，所述双向DC/DC变换器还包括第一电感；
[0015]所述第一电感的一端连接在所述第一侧电路和所述第二侧电路的连接点上以作为所述双向DC/DC变换器的输出端。
[0016]优选的，所述超级电容储能电路包括第二电感、第三电感和超级电容；
[0017]所述第三电感和所述超级电容串联形成串联电路，所述串联电路和所述第二电感并联，且所述串联电路和所述第二电感并联的并联电路的两端作为所述超级电容储能电路的两个输出端。
[0018]优选的，所述第一转换装置和所述第二转换装置采用双向PffM变流器。
[0019]优选的，所述双向PffM变流器采用背靠背双PffM变流器。
[0020]优选的，所述永磁同步电驱动系统还包括直流母线电容；
[0021]所述第一转换装置、所述直流母线电容和所述第二转换装置并联。
[0022]优选的，所述第一转换装置和第二转换装置均采用可控的三相变流器。
[0023]由上述技术方案可知，本发明的永磁同步电驱动系统的所述第一转换装置从所述永磁同步发电机吸取电能，需要从电网吸收有功和无功功率，运行在整流工作状态，通过检测所述第一转换装置和所述第二转换装置的连接线路上的直流母线电压，调整所述永磁同步发电机的输出功率，可实现单位功率因数控制，即所述永磁同步发电机输出电压电流同相位的正阻特性。
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
[0025]图1是本发明一实施例提供的一种永磁同步电驱动系统的结构图；
[0026]图2是本发明一实施例提供的一种永磁同步电驱动系统的能量流动图。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]图1是本发明一实施例提供的一种永磁同步电驱动系统的结构图；
[0029]图2是本发明一实施例提供的一种永磁同步电驱动系统的能量流动图。
[0030]如图1和图2所示的一种永磁同步电驱动系统，包括:用于产生交流电的永磁同步发电机P1、用于将交流电转换成直流电的可控的第一转换装置、用于将直流电转换成交流电的可控的第二转换装置、用于为负载提供动力的永磁同步电动机P2、第一检测器、第二检测器以及控制器;第一检测器、第二检测器以及控制器在图中未示出。
[0031]所述永磁同步发电机Pl的输出端连接所述第一转换装置的输入端，所述第一转换装置的输出端连接所述第二转换装置的输入端，所述第二转换装置的输出端连接所述永磁同步电动机P2的输入端;所述第一检测器和所述第二检测器分别连接所述控制器;所述第一检测器检测所述第一转换装置和所述第二转换装置的连接线路上的直流母线电压，并将所述直流母线电压发送给控制器，所述第二检测器检测所述负载的运行状况，并将所述负载的运行状况发送给所述控制器，所述控制器根据所述直流母线电压向所述第一转换装置发送第一控制信号，并根据所述负载的运行状况向所述第二转换装置发送第二控制信号，所述第一转换装置根据所述第一控制信号进行转换，以调整所述永磁同步发电机Pl的输出功率，所述第二转换装置根据所述第二控制信号进行转换，以调整输出给所述永磁同步电动机P2的输出功率。
[0032]本发明的永磁同步电驱动系统的所述第一转换装置从所述永磁同步发电机Pl吸取电能，需要从电网吸收有功和无功功率，运行在整流工作状态，通过检测所述第一转换装置和所述第二转换装置的连接线路上的直流母线电压，调整所述永磁同步发电机Pl的输出功率，可实现单位功率因数控制，即所述永磁同步发电机Pl输出电压电流同相位的正阻特性。
[0033]根据所述负载的运行状况调整输出给所述永磁同步电动机P2的输出功率，以使系统满足负载的动力需求。
[0034]如图1所示，作为一种优选实施例，所述永磁同步电驱动系统还包括:用于储存电能的超级电容储能电路E以及切换电路F;
[0035]所述超级电容储能电路E连接所述切换电路F，所述切换电路F连接所述第一转换装置和所述第二转换装置，所述控制器连接所述切换电路F;
[0036]所述控制器根据所述直流母线电压向所述切换电路F发送第三控制信号;所述切换电路F根据所述第三控制信号切换所述超级电容储能电路E储能电能或释放电能。
[0037]可以理解的是，可在所述第一检测器检测到直流母线电压高于预设值(一般为额定值)时，所述切换电路F工作在降压模式，所述超级电容储能电路E处于充电状态，从而将多余的能量存储起来;在所述第一检测器检测到直流母线电压低于预设值(一般为额定值)时，所述切换电路F工作在升压模式，所述超级电容储能电路E处于放电状态，为所述永磁同步电动机P2提供电能。
[0038]作为一种优选实施例，所述切换电路F包括:双向DC/DC变换器；
[0039]所述双向DC/DC变换器包括第一开关管K1、第二开关管K2、第一二极管Dl和第二二极管D2;所述第一二极管Dl的两端分别连接在所述第一开关管Kl的两个导通端形成第一侧电路，所述第二二极管D2的两端分别连接所述第二开关管K2的两个导通端形成第二侧电路，所述第一侧电路和所述第二侧电路串联后与所述第一转换装置和所述第二转换装置并联，且连接在所述第一转换装置的输出端和所述第二转换装置的输入端之间；所述超级电容储能电路E和所述第二侧电路并联；
[0040]所述控制器连接所述第一开关管Kl和所述第二开关管K2的控制端，用于根据所述直流母线电压向所述第一开关管Kl的控制端和所述第二开关管K2的控制端发送第三控制信号，所述第一开关管Kl的两个导通端根据所述第一开关管Kl的控制端接收到的所述第三控制信号导通或断开，所述第二开关管K2的两个导通端根据所述第一开关管Kl的控制端接收到的所述第三控制信号导通或断开。
[0041]本切换电路F的工作原理为:在所述第一检测器检测到直流母线电压高于预设值(一般为额定值)时，控制器控制第一开关管Kl导通，第二开关管K2截止，所述切换电路F工作在降压模式，超级电容储能电路E处于充电状态，从而将多余的能量存储起来;在所述检测器检测到直流母线电压低于预设值(一般为额定值)时，控制器控制第一开关管Kl截止，第二开关管K2导通，所述切换电路F工作在升压模式，超级电容储能电路E处于放电状态，为所述永磁同步电动机P2提供电能。
[0042]作为一种优选实施例，所述第一开关管Kl和所述第二开关管K2为三极管或场效应管。还可以为其他开关管，本发明不做限制。
[0043]作为一种优选实施例，所述双向DC/DC变换器还包括第一电感LI;
[0044]所述第一电感LI的一端连接在所述第一侧电路和所述第二侧电路的连接点上以作为所述双向DC/DC变换器的输出端。
[0045]可以理解的是，所述第一电感LI可以阻止交流，通直流，保证所述超级电容P3的良好充电和放电性能。
[0046]可以理解的是，本发明还可采用除上述双向DC/DC变换器外的其他结构的双向DC/DC变换器，本发明不做限制。
[0047]作为一种优选实施例，所述超级电容储能电路E包括第二电感L2、第三电感L3和超级电容P3;
[0048]所述第三电感L3和所述超级电容P3串联形成串联电路，所述串联电路和所述第二电感L2并联，且所述串联电路和所述第二电感L2并联的并联电路的两端作为所述超级电容储能电路E的两个输出端。
[0049]图1中，所述超级电容储能电路E的两个输出端中的一端连接所述第一电感LI的另一端，所述超级电容储能电路E的两个输出端中的另一端连接所述双向DC/DC变换器的另一个输出端。
[0050]作为一种优选实施例，所述第一转换装置和所述第二转换装置采用双向PWM变流器。
[0051 ] 作为一种优选实施例，所述双向PffM变流器采用背靠背双PffM变流器。
[0052]可以理解的是，本发明中由于背靠背双PffM变流器控制功能灵活、交流侧功率因数可调和直流电压可控等诸多优点，因此可改善调速性能。
[0053]作为一种优选实施例，所述永磁同步电驱动系统还包括直流母线电容PC;
[0054]所述第一转换装置、所述直流母线电容PC和所述第二转换装置并联。
[0055]可以理解的是，所述直流母线电容PC也可以起到储存电能和释放电能的作用。
[0056]如图1所示，作为一种优选实施例，所述第一转换装置和第二转换装置均采用可控(一般为交、直流可控)的三相变流器，所述第一转换装置为第一三相变流器VSCl，所述第二转换装置为第二三相变流器VSC2。
[0057]所述双向PWM变流器包括结构相同的第一三相变流器VSCl和第二三相变流器VSC2。但是，所述双向PffM变流器并不局限于该结构。
[0058]可以理解的是，所述第一检测器和第二检测器可采用现有的检测器实现。
[0059]本发明从电机使用上进行改进，形成一种两台永磁同步电机同轴驱动系统。
[0060]本发明采用永磁电机代替直流电机、交流电机，体积小，可靠性高。
[0061]本发明的永磁同步电驱动系统的所述第一三相变流器VSCl从所述永磁同步发电机Pl吸取电能，需要从电网吸收有功和无功功率，运行在整流工作状态，可实现单位功率因数控制，即所述永磁同步发电机Pl输出电压电流同相位的正阻特性。所述第二三相变流器VSC2(即第二转换装置)将直流母线电压经过PWM调制用来驱动所述永磁同步电动机P2，能量从所述永磁同步发电机PI通过所述双向PWM变流器流至所述永磁同步电动机P2。
[0062]双向DC/DC变换器可以通过控制开关管占空比D来改变升降压比，以此来吸收所述永磁同步电动机P2制动时的回馈能量和栗升电压，也用来储存所述永磁同步发电机Pl端产生的剩余能量，使得两侧能量平衡，增加系统的可靠性。双向DC/DC变换器可以消除负载大范围变化时直流电压畸变的问题，使电路不论轻载重载，均能够正常工作。即，本发明通过用于储存电能的超级电容储能电路E以及切换电路F达到上述效果，一般在发电和耗电不平衡(一般为故障)时使用该功能，如刹车时，存储电能，爬坡时，释放电能。
[0063]本发明中加入带有超级电容P3的DC/DC电路(即超级电容储能电路和双向DC/DC变换器形成的电路)可以解决能量栗升问题。
[0064]本发明由于超级电容P3容量大，因此存储电能和释放电能都快。
[0065]本发明以交流感应电机驱动系统为对象，改善调速性能、提高系统可靠性和负载适应能力、增大功率密度，是一种全新的永磁同步电驱动系统的设计方法。即，本发明的永磁同步电驱动系统具有高功率密度，高效率，调速范围宽的特点。
[0066]本发明可应用在车上，即负载为车上的驱动装置，则所述负载的运行状况可为扭矩、转速等。当然，还可应用在其他动力设备上。
[0067]应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。
[0068]以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【主权项】
1.一种永磁同步电驱动系统，其特征在于，包括:用于产生交流电的永磁同步发电机、用于将交流电转换成直流电的可控的第一转换装置、用于将直流电转换成交流电的可控的第二转换装置、用于为负载提供动力的永磁同步电动机、第一检测器、第二检测器以及控制器； 所述永磁同步发电机的输出端连接所述第一转换装置的输入端，所述第一转换装置的输出端连接所述第二转换装置的输入端，所述第二转换装置的输出端连接所述永磁同步电动机的输入端;所述第一检测器和所述第二检测器分别连接所述控制器;所述第一检测器检测所述第一转换装置和所述第二转换装置的连接线路上的直流母线电压，并将所述直流母线电压发送给控制器，所述第二检测器检测所述负载的运行状况，并将所述负载的运行状况发送给所述控制器，所述控制器根据所述直流母线电压向所述第一转换装置发送第一控制信号，并根据所述负载的运行状况向所述第二转换装置发送第二控制信号，所述第一转换装置根据所述第一控制信号进行转换，以调整所述永磁同步发电机的输出功率，所述第二转换装置根据所述第二控制信号进行转换，以调整输出给所述永磁同步电动机的输出功率。2.根据权利要求1所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述永磁同步电驱动系统还包括:用于储存电能的超级电容储能电路以及切换电路； 所述超级电容储能电路连接所述切换电路，所述切换电路连接所述第一转换装置和所述第二转换装置，所述控制器连接所述切换电路； 所述控制器根据所述直流母线电压向所述切换电路发送第三控制信号;所述切换电路根据所述第三控制信号切换所述超级电容储能电路储能电能或释放电能储能电能或释放电能。3.根据权利要求2所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述切换电路包括:双向DC/DC变换器； 所述双向DC/DC变换器包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管;所述第一二极管的两端分别连接在所述第一开关管的两个导通端形成第一侧电路，所述第二二极管的两端分别连接所述第二开关管的两个导通端形成第二侧电路，所述第一侧电路和所述第二侧电路串联后与所述第一转换装置和所述第二转换装置并联，且连接在所述第一转换装置的输出端和所述第二转换装置的输入端之间;所述超级电容储能电路和所述第二侧电路并联； 所述控制器连接所述第一开关管和所述第二开关管的控制端，用于根据所述直流母线电压向所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端发送第三控制信号，所述第一开关管的两个导通端根据所述第一开关管的控制端接收到的所述第三控制信号导通或断开，所述第二开关管的两个导通端根据所述第一开关管的控制端接收到的所述第三控制信号导通或断开。4.根据权利要求3所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为三极管或场效应管。5.根据权利要求3所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器还包括第一电感； 所述第一电感的一端连接在所述第一侧电路和所述第二侧电路的连接点上以作为所述双向DC/DC变换器的输出端。6.根据权利要求2所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述超级电容储能电路包括第二电感、第三电感和超级电容； 所述第三电感和所述超级电容串联形成串联电路，所述串联电路和所述第二电感并联，且所述串联电路和所述第二电感并联的并联电路的两端作为所述超级电容储能电路的两个输出端。7.根据权利要求1所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述第一转换装置和所述第二转换装置采用双向PWM变流器。8.根据权利要求7所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述双向PWM变流器采用背靠背双PffM变流器。9.根据权利要求1所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述永磁同步电驱动系统还包括直流母线电容； 所述第一转换装置、所述直流母线电容和所述第二转换装置并联。10.根据权利要求1所述的永磁同步电驱动系统，其特征在于，所述第一转换装置和第二转换装置均采用可控的三相变流器。
【文档编号】H02P6/08GK106026687SQ201610452076
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】高剑, 黄守道, 罗德荣, 樊鹏
【申请人】湖南大学